基于證據理論的動力鋰電池火災檢測裝置設計

向 前 朱云國

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

一、引言

近年來，在新能源汽車發展及國家產業政策的推動下，動力鋰電池因具備高能量密度、大倍率充放電性能和長循環壽命等優點發展迅猛，已成為電動汽車電能存儲載體采用的主要動力電池類型[1]。然而，電動汽車自燃和爆炸事故也呈高發態勢。據統計，僅2018年，國內大大小小的電動汽車起火事故已經超過50起，部分電動汽車起火事故案例如表1所示。

表1 電動汽車起火事故部分案例

通過研究市場上近三年發生的電動汽車安全事故發現，超過50%的火災事故起因與動力鋰電池系統有關，包括充電、短路、電解液泄漏、電氣故障、進水、碰撞、異物穿刺等。動力鋰電池引發的火災給用戶人身和財產安全帶了巨大威脅，因此，設計一種有效的火災檢測裝置、及時止損尤為必要。

楊赟等[2]針對鋰離子電池在高溫、過充或短路情況，采用監測溫度變化的方法進行火災爆炸預警，對火災有一個大致的判斷，但是早期特征量偏少，很難識別出早期火災特征。王春力[3]等選取多種傳感器進行早期火災預警，能夠檢測不同階段的火災隱患，但在數據分析處理階段只做了固定閾值比較和復合關聯，算法簡單易于實現，但容易誤報、抗干擾能力差。針對以上研究存在的不足，本文將基于Dempster-Shafer（D-S）證據理論對采集的多傳感器數據進行更為有效的信息融合[4-5]，以實現不同階段的火災檢測，同時滿足車載BMS或者儀表CAN通訊總線接口數據交互的要求，降低誤報率低、提高可信度。

二、火災機理分析及特征量選型

研究發現，動力鋰電池發生火災的常見原因主要有[6-9]：鋰電池電芯充放電不平衡、短路、熱沖擊、浸水、高速碰撞、穿刺、擠壓等，會誘發一系列放熱反應，導致溫度升高進一步加速放熱反應效率，發生熱失控，進而導致防爆膜破裂后電解液泄漏并溢散出可燃性氣體，高溫環境中達到燃點，引燃電芯包裹材料等其他可燃物，進而加劇其他電芯發生熱失控連鎖反應。因此，通過動力鋰電池系統發生火災的機理分析，本文選擇溫度、煙霧、電解液揮發的可燃氣體三個火災特征量進行檢測，傳感器選型[10]如下：

表2 火災特征量傳感器選型

三、動力鋰電池火災檢測裝置總體設計

針對采用動力鋰電池作為動力系統的電動客車及公交車由多組動力鋰電池組成，分布在車輛底部多個電池艙內，因此，為適應該類型單輛車動力電池系統的火災檢測，本文提出的裝置采用基于事件觸發通信模式的主從式CAN總線通信結構[11]，由多個采集模塊和一個數據匯聚模塊組成，總體設計框圖如圖1所示。

圖1 檢測系統的總體設計框圖

數據采集模塊設置唯一設備編號，放置于電池艙內，實際單輛車內數據采集模塊與電池艙的個數一致。該模塊主要負責火災特征傳感器信息的采集，并以內部CAN總線協議格式發送到數據匯聚模塊。采集模塊主要包括煙霧、溫度、可燃氣體各1個火災特征量采集傳感器及信號調理電路、微型控制系統、內部CAN接口及電源管理電路，其結構框圖如圖2所示。采集模塊的微型控制系統采用STM32F103RBT6作為微控制器，該芯片自帶一路CAN控制器，只需選用TJA1050作為CAN總線高速收發驅動器，微控制器芯片的CANTX和CANRX分別連接到CAN收發控制器TJA1050的TXD端和RXD端。同時，CANL和CANH之間接一個120歐姆的終端電阻，主要用于遠距離傳輸的阻抗匹配和增強電磁抗干擾能力。

數據匯聚模塊每輛車設置1個，放置乘客艙的設備箱內，負責把通過內部CAN總線接收到車內不同編號的采集模塊數據進行校歸一化預處理和融合判定，然后按照固定時間間隔通過外部CAN總線上傳給上位機顯示設備，比如BMS管理系統或者汽車儀表CAN總線，同時，數據匯聚模塊自身也會根據判定結果通過聲、光方式提示駕駛員單體動力鋰電池電池箱的實時火災工作狀態。數據匯聚模塊的設計可以節約外部CAN總線的負載開銷以及多設備接入問題，它主要由內部CAN接口、外部CAN接口、聲光告警模塊及電源管理模塊組成，其結構框圖如圖3所示。數據匯聚模塊采用STM32F105RBT6作為微控制器，支持兩路CAN接口通訊功能。與內部CAN接口設計不同的是，考慮到檢測裝置的車載環境抗干擾能力，需在微控制器的CAN接口與TJA1050之間增加6N137隔離芯片進行報文收發，有利于實現外部CAN總線各節點間電氣隔離，降低通訊故障。

圖2 采集模塊硬件結構框圖

圖3 數據匯聚模塊硬件結構框圖

四、基于D-S證據理論的多傳感器融合判別方法

本文采用溫度、煙霧、可燃氣體濃度三種傳感器來完成火災探測的目的，融合的具體流程如圖4所示。

圖4 火災探測融合流程圖

（1）歸一化處理

首先，將各傳感器采集的數據采用歸一化方法，使其范圍處于0到1之間，歸一化公式如式（1）所示。

式中，Yi為傳感器Y采集數據的歸一化值；i代表傳感器第i次采集的數據；x表示根據試驗確定的傳感器Y的采集數值，Xmax和Xmin分別表示試驗確定的最大值和最小值。

（2）確定信任度函數

在不同的試驗環境下，多種傳感器采集的數據判定結果具有很大不確定性。為解決判定的不確定性，本文運用D-S證據理論進行判定，它是建立在一個非空集合上的理論，成為識別框架，表示人們對某一問題判定所能認識到的所有可能結果的集合，集合內每種結果都是互斥的。動力鋰電池艙內的火災情況可能的情況有安全、不確定、報警分別記為，那么火災的識別框架。根據證據理論定理：對于問題域中的任意命題A，定義基本概率賦值函數滿足

式中，m（A）表示命題A發生程度的基本概率，即證據對命題A的信任度；對空集不產生任何信任度；同時，要求所有識別框架內的命題信任度之和等于1。根據傳感器輸出響應特性和專家知識[11]，本文選擇廣義高斯函數表征各傳感器火災發生的信任度函數，采集數值后，歸一化處理，代入信任度函數獲取當前火災發生的信任度，溫度、煙霧、可燃氣體的信任度分別用 m1、m2、m3來表示

式（4）中，A11，A21，A31表示 m1識別框架可能的組合結果為安全、不確定、報警的概率，以此類推（5）、式（6）所表示的含義。

（3）多傳感器證據合成

基于溫度、煙霧、可燃氣體三個傳感器識別框架內的信任度，根據D-S證據理論合成公式為：

式中，

表示所有證據之間的沖突概率，反應了證據沖突的程度，且滿足K＜1,避免合成時，把非零的概率賦值給空集Φ。由式（7）綜合溫度、煙霧、可燃氣體對動力鋰電池艙的安全、不確定、報警的合成概率，進而對火災進行判定。

五、實驗調試

（1）實驗方案

選擇長*寬*高尺寸為500mm*300mm*200mm的鐵皮箱模擬動力電池艙，底部內置一個220V/600W的加熱片，加熱片上放置一個動力鋰電池電芯，數據采集模塊安裝于電芯上方的頂部，外部放置一個數據匯聚模塊，試驗布局如圖5所示。通電，使得加熱片工作，模擬電芯熱失控發生火災，以測試本文設計的裝置能否正常采集數據和通訊并證據理論是否能夠提高判定的可信度。

圖5 模擬熱失控引發火災試驗布局圖

（2）數據采集和通訊功能驗證

LabVIEW是基于G語言、以圖形數據流代替文本程序代碼，編程簡單、高效。其中LabVIEW VISA提供實現上位機軟件與串口數據之間的連接通道[12-13]。本文采用LabVIEW編寫動力鋰電池火災檢測裝置的上位機測試軟件如圖6所示。采用USB轉CAN通訊線負責把CAN格式報文轉化成USB協議，帶USB接口的一端通過計算機USB串口連接至測試軟件，另一端分別與數據采集模塊和數據匯聚模塊的CANH和CANL通過接線端子相連接。

隨著各種特征量數據的模擬輸入，各傳感器檢測數據不斷發生變化，說明傳感器能正常啟動并完成數據采集工作，同時也驗證了數據采集模塊與數據匯聚模塊之間以及數據匯聚模塊與上位機之間CAN通訊數據上傳正常。試驗表明：數據采集和通訊功能正常。

圖6 動力鋰電池火災檢測裝置上位機測試軟件

（3）基于證據理論融合火災判定準確度的驗證

數據匯聚模塊根據具體特征傳感器的采集數值，進行歸一化處理，然后代入信任度函數獲得各個傳感器識別框架內的基本信任度概率，然后再根據證據理論的合成公式進行融合，得出融合后識別框架內的概率，如表3所示。

表3 溫度、煙霧、可燃氣體火災概率分布及證據理論融合

從表3可以看出，單一特征量煙霧與溫度、可燃氣體傳感器火災報警判定存在不確定性，但是通過D-S數據理論融合后，將不確定概率降至0.174，將火災報警概率由原來的0.700提高至0.814，規避了單一傳感器判定的不確定性，提高了火災結果判定的可信度。

六、結論

本文提出了一種基于證據理論的動力鋰電池火災檢測裝置，采用高斯函數表征溫度、煙霧、易燃揮發氣體3個傳感器檢測的火災特征量，并建立對應的信任度函數，基于證據理論進行多傳感器數據融合研判火災狀態結果。試驗結果表明，該裝置有效克服了單一特征量的不確定性，提高了火災檢測的準確性和可信度，對于新能源汽車動力鋰電池的火災檢測研究具有實用的參考價值。